4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.6 Analisis Susunan dan Nilai Tahanan Membran
Analisis susunan dan nilai tahanan membran dilakukan dengan mengukur nilai tahanan membran internal (Rm), nilai tahanan yang disebabkan oleh fouling
(Rf) dan nilai indeks tahanan polarisasi konsentrasi (Ф). Kondisi operasi proses pengukuran dikerjakan pada kisaran tekanan transmembran 69 – 138 kPa dan pada laju alir umpan 2,97, 3,47 dan 3,97 m s-1. Pengambilan contoh untuk pengukuran fluks dilakukan pada selang waktu 18-25 menit, yaitu setelah kondisi operasi mencapai tunak. Data dan teknik perhitungan nilai-nilai tahanan tersebut disajikan pada Lampiran 13, sedangkan ringkasan hasilnya disajikan pada Tabel 13.
Gambar 27 Respon permukaan tekanan transmembran (ΔP) dan laju alir umpan (v) terhadap nilai fluks permeat
Fluks (l m -2 h -1 ) -1 80 90 100 110 120 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1. P -1.5 -1.0 -0 5 120 130 140 1.5 1.0 0.5 0.0 V -0.5 -1.0 .0 -1.5 1.5 v
Tabel 13 Analisis komponen dan nilai tahanan membran pada proses filtrasi ekstrak rumput laut pada laju alir umpan 2,97, 3,47 dan 3,97 m s-1
Laju Alir Umpan (m s-1) Komponen Tahanan Membran 2,97 3,47 3,97 Rm (kPa m2 h l-1) 0,0551 0,0551 0,0551 R’m =Rm + Rf (kPa m2 h l-1) 0,1863 0,2292 0,2309 Rf (kPa m2 h l-1) 0,1312 0,1741 0,1758 Ф (s m-1) 0,0067 0,0061 0,0058
4.6.1 Nilai tahanan fouling (Rf)
Nilai tahanan fouling diperoleh dengan cara mengurangi nilai slope (Rf + Rm) dari plot grafik antara 1/J dan 1/ΔP (Lampiran 13 b) dengan nilai tahanan membran (Rm). Nilai tahanan fouling (Rf) pada laju alir 2,97, 3,47 dan 3,97 m s-1 masing-masing sebesar 0,1312, 0,1741 dan 0,1758 kPa m2 h l-1. Nilai Rf cenderung tidak dipengaruhi oleh laju alir umpan. Pengaruh laju alir umpan terhadap tahanan fouling sebelumnya juga telah diteliti oleh Chiang dan Cheryan (1986) serta Masciola et al. (2001) masing-masing menggunakan umpan susu skim dan campuran limbah minyak dengan air. Hasil kedua penelitian tersebut menunjukkan bahwa laju alir umpan dan kosentrasi umpan tidak berpengaruh signifikan terhadap nilai tahanan fouling. Cheryan (1998) menyatakan bahwa besarnya nilai tahanan fouling ditentukan oleh interaksi antara karakteristik bahan membran dan umpan dan tidak dipengaruhi oleh parameter operasi. Pernyataan ini didukung oleh hasil penelitian Viadero Jr et al. (1999) dan Masciola et al.
(2001). Kedua penelitian tersebut menggunakan umpan yang sama yaitu limbah campuran minyak dengan air tetapi menggunakan bahan membran yang berlainan. Viadero Jr et al. (1999) menggunakan membran keramik sedangkan Masciola et al. (2001) menggunakan membran dengan bahan polyvinylidene fluoride (PVDF), hasilnya menunjukkan bahwa nilai Rf membran PVDF 7 kali lebih besar dari membran keramik.
4.6.2 Rasio tahanan membran internal (Rm) terhadap Rf
Jika dibandingkan dengan nilai tahanan membran internal (Rm), (Rf) memiliki 2-3 kali lebih besar dibanding (Rm). Hasil tersebut merupakan kebalikan dengan hasil laporan Viadero Jr et al. (1999) yang memperoleh nilai Rm 7 kali lebih tinggi dibanding Rf. Nilai tahanan fouling yang tinggi
menunjukkan adanya interaksi antara material membran dengan komponen- komponen umpan cukup kuat. Pada penelitian ini bahan polimer membran yang digunakan adalah polysulfone. Polimer ini cenderung bersifat hidrofobik (Cheryan 1998; Gould et al. 2004), sedangkan komponen utama penyusun umpan didominasi kappa karaginan yang juga cenderung hidrofobik (Gliksman 1983; cPKelco ApS 2004). Menurut Cheryan (1998) polimer bahan membran yang bersifat hidrofobik akan mengadsorpsi komponen umpan yang bersifat hidrofobik atau amfoter dan akhirnya terjadi fouling.
4.6.3 Nilai indeks tahanan polarisasi konsentrasi (Ф)
Nilai indeks tahanan polarisasi konsentrasi (Ф) menunjukkan besarnya indeks tahanan polarisasi konsentrasi pada tekanan tertentu dalam kondisi laju alir umpan yang konstan. Nilai indeks tahanan polarisasi konsentrasi diperoleh dari nilai intersep grafik hubungan antara plot 1/J dengan 1/ΔP pada laju alir yang tetap (Lampiran 13b).
Nilai Ф berkisar antara 0,058 – 0,067 s m-1 tergantung pada laju alir umpan yang digunakan. Nilai Ф menurun sebanding dengan meningkatnya laju alir umpan. Pada laju alir umpan 2,97 m s-1 nilai indeks tahanan polarisasi 0,067 kemudian turun menjadi 0,061 pada laju alir umpan 3,47 m s-1 dan 0,058 pada laju alir umpan 3,97 m s-1 (Gambar 28). Nilai Ф pada penelitian ini jauh lebih tinggi dibanding nilai Ф pada proses ultrafiltrasi susu skim dengan membran ultrafiltrasi hollowfibre (Chiang dan Cheryan 1986) yang hanya mencapai nilai maksimum 0,5087 s m-1 pada laju alir 1,11 m s-1. Adanya perbedaan hasil tersebut diduga karena viskositas filtrat karaginan yang relatif lebih tinggi dibandingkan susu skim, kondisi tersebut dapat menyebabkan semakin tebalnya pembentukan lapisan polarisasi konsentrasi pada permukaan membran.
Besarnya nilai indeks tahanan polarisasi yang dapat diturunkan pada penelitian ini adalah 0,0009 untuk setiap meter per detik kenaikan laju alir umpan. Hal tersebut menunjukkan bahwa laju alir umpan yang tinggi dapat mengurangi besarnya jumlah, kepadatan dan ketebalan lapisan polarisasi konsentrasi (Viadero Jr et al. 1999; Choi et al. 2005).
Usaha untuk menurunkan nilai indeks tahanan polarisasi juga telah dilakukan oleh Viadero Jr et al. (1999) dengan cara menggunakan membran yang
y = -0.0009x + 0.0093 R2 = 0.9643 0.0056 0.0058 0.0060 0.0062 0.0064 0.0066 0.0068 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
Laju alir Umpan (ms-1)
Indek s T a hanan P ol ar is as i ( s m -1 )
dapat berotasi. Hasil penelitian tersebut melaporkan bahwa indeks tahanan polarisasi dapat ditrurunkan sebesar 0,11 untuk setiap kenaikan putaran permenit dari rotasi membran. Chiang dan Cheryan (1986) menyatakan bahwa nilai Ф tidak dipengaruhi secara siginifikan oleh parameter suhu operasi. Nilai Ф sangat dipengaruhi oleh laju alir dan konsentrasi umpan (Chiang dan Cheryan 1986; Viadero Jr et al. 1999; Kumar et al. 2004). Lin et al. (2005) melaporkan bahwa nilai Ф dipengaruhi oleh MWCO membran, semakin kecil nilai MWCO membran maka nilai Ф akan semakin besar.
Gambar 28 Pengaruh laju alir umpan terhadap nilai indeks tahanan polarisasi (Ф) 4.6.4 Nilai tahanan polarisasi konsentrasi (Rp)
Tahanan polarisasi konsentrasi terbentuk akibat akumulasi partikel yang tertolak oleh membran sehingga partikel-partikel ini membentuk lapisan tertentu pada permukaan membran (Cheryan 1998). Nilai tahanan polarisasi konsentrasi dihitung dengan mengalikan nilai indeks tahanan polarisasi konsentrasi (Ф) pada laju alir tertentu dengan nilai tekanan transmembran.
Nilai tahanan polarisasi konsentrasi (Rp) pada laju alir 2,97 – 3,97 m s-1 berkisar antara 0,4030 – 0,9314 kPa m2 h l-1. Pada tekanan tetap nilai tahanan polarisasi meningkat seiring dengan tingginya tekanan transmembran (Gambar 29). Hal tersebut menunjukkan bahwa tekanan transmembran yang
57 56
0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000 1.0000 50 75 100 125 150
Tekanan Transmembran (kPa)
Rp (k P a m 2 h l -1) V=2.97 m/s V=3.47 m/s V=3.97 m/s
tinggi dapat meningkatkan aliran difusi balik menuju permukaan membran dan akhirnya deposisi partikel dan polarisasi konsentrasi menjadi semakin meningkat Zhao et al. (2003). Penggunaan tekanan transmembran yang lebih tinggi lagi dapat meyebabkan lapisan polarisasi semakin tebal dan padat, hal tersebut dapat menyebabkan semakin meningkatnya nilai tahanan polarisasi konsentrasi.
Gambar 29 Pengaruh tekanan transmembran terhadap nilai tahanan polarisasi konsentrasi (Rp)